Modelling and Simulating Unsteady Six Degrees-of-Freedom Submarine Rising Maneuvers

DRDC Atlantic is collaborating with ANSYS Canada and the University of New Brunswick to develop an unsteady, six degrees-of-freedom, Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) submarine maneuvering simulation capability. Initially, this is being used to evaluate emergency rising maneuvers. During these maneuvers, high negative angles of attack can occur which result in a roll instability not previously predicted by quasi-steady modelling. The objective of the RANS simulation is to reproduce the instability and investigate mitigation strategies. Models for weight and buoyancy when blowing, high incidence propulsion, and appendage and propulsion activation are presented and tested. A high incidence, quasi-steady, coefficient based hydrodynamic model used in previous stability analyses is also presented. These models are used for evaluating stability, testing the system models, and investigating different maneuvering scenarios in preparation for carrying out the computationally intensive RANS simulations. These preliminary investigations suggest the initial roll angle prior to blowing ballast, coupled with the roll instability and low pitch angles, plays an important role in the emergence roll angle. Résumé RDDC Atlantique, en collaboration avec ANSYS Canada et l’Université du Nouveau-Brunswick (UNB), développe une capacité de simulation de manœuvres instables d’un sous-marin à six degrés de liberté par l’application d’équations de Navier-Stockes à moyenne de Reynolds (RANS). Initialement, cette capacité est utilisée pour évaluer les manœuvres de remontée d’urgence. Au cours de ces manœuvres, des angles d’attaque négatifs élevés peuvent être obtenus, entrâınant une instabilité du roulis qui n’était pas prévue antérieurement par la modélisation quasi-stable. L’objectif de la simulation RANS est de reproduire l’instabilité et d’en étudier les possibilités d’atténuation. Les modèles de poids et de flottabilité lors du délestage, la propulsion à haute incidence et l’activation de l’appendice et de la propulsion sont présentés et vérifiés. On présente également un modèle hydrodynamique de haute incidence, quasi-stable et basé sur les coefficients qui est utilisé dans des analyses antérieures de stabilité. Ces modèles sont utilisés pour évaluer la stabilité, vérifier les modèles de systèmes et étudier les différents scénarios de manœuvre en préparation à l’exécution de simulations exigeant un grand nombre de calculs RANS. Les études préliminaires révèlent que l’angle de roulis initial avant le délestage, jumelé à l’instabilité du roulis et aux faibles angles de tangage, joue un rôle important dans l’angle du roulis d’émersion. DRDC Atlantic TR 2007–008 i This page is intentionally blank. ii DRDC Atlantic TR 2007–008 Executive Summary Introduction DRDC Atlantic is collaborating with ANSYS Canada and the University of New Brunswick (UNB) to develop an unsteady, six degrees-of-freedom (DOF), Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) simulation of a maneuvering submarine. This capability is initially being used to evaluate emergency rising maneuvers. In a typical rising scenario, ballast is blown at depth, the nose of the boat is pitched up, and speed is increased to minimize large negative angles of attack. Despite these precautions, full scale trials show that an underwater roll instability still can occur and can result in excessive roll when the boat surfaces. Quasi-steady modelling has not previously predicted satisfactorily the roll angles resulting from the instability. The objective of the collaboration is to develop the unsteady RANS simulation capability, use it to reproduce the instability and, if successful, investigate mitigation strategies. This report presents the 6 DOF equations of motion, a coefficient based quasi-steady hydrodynamic model (a stand-in for the RANS model), and several system models required to support the simulations. It uses these models to investigate various rising scenarios, showing how blowing, the sternplanes, propulsion, control, and the initial heel angle of the boat effect the rising maneuver. Significance The unsteady RANS simulation capability is a step towards improving our ability to predict and understand operational limitations. It can be used in many maneuvering scenarios. The system models presented (blowing, control, and propulsion models) are used in both the RANS and coefficient based simulations. The coefficient based simulations provide an efficient test bed for preliminary investigations that will minimize the number of computationally intensive RANS simulations required later. Principal Results The models are described, successfully implemented, and preliminary rising simulations carried out using the coefficient based hydrodynamic model. This exercises the models and establishes suitable scenarios for the RANS simulations. Unexpectedly, this preliminary work has shown that initial heel, together with the roll instability and low pitch angles, significantly increases roll angles while rising. Further Work ANSYS Canada has completed development of the unsteady 6 DOF RANS simulation capability. The capability is being transferred to UNB where rising simulations will be carried out and compared with the coefficient based simulations presented herein. This will provide an opportunity to validate the current results and further investigate the role of the initial heel angle. This work should be supplemented by full scale trials to see what heel angles occur in practice and to see if mitigation strategies suggested by the simulations are realistic. G.D. Watt, 2007. Modelling and Simulating Unsteady Six Degrees-of-Freedom Submarine Rising Maneuvers. DRDC Atlantic TR 2007–008. Defence R&D Canada – Atlantic. DRDC Atlantic TR 2007–008 iii Sommaire Introduction RDDCAtlantique, en collaboration avec ANSYS Canada et l’Université du Nouveau-Brunswick, développe une capacité de simulation de manœuvres instables d’un sous-marin à six degrés de liberté par l’application d’équations de Navier-Stockes à moyenne de Reynolds (RANS). Initialement, cette capacité est utilisée pour évaluer les manœuvres de remontée d’urgence. Dans un scénario typique de remontée, le ballast est délesté en profondeur, le devant du sous-marin est déplacé vers le haut et la vitesse est accrue pour réduire les angles d’attaque négatifs élevés. Malgré ces précautions, les essais complets démontrent que le roulis sous-marin peut encore être instable et atteindre un niveau excessif lors de l’émersion du sous-marin. La modélisation quasi-stable ne permet pas encore de prédire de façon satisfaisante l’angle de roulis causé par l’instabilité. L’objectif de la collaboration est de mettre sur pied la capacité de simulation RANS instable, de l’utiliser pour reproduire l’instabilité et, le cas échéant, d’en étudier les possibilités d’atténuation. Le présent rapport présente les équations de mouvement à six degrés de liberté, un modèle hydrodynamique quasi-stable basé sur les coefficients (remplaçant le modèle RANS), et plusieurs autres modèles requis pour appuyer les simulations. Le rapport utilise ces modèles pour exposer différents scénarios de remontée afin de démontrer comment le ballast, les tableaux arrière, la propulsion, le contrôle et l’angle de ĝıte initial du sous-marin ont un impact sur la manœuvre de remontée. Portée La capacité de simulation RANS quasi-stable est une étape vers l’amélioration de notre habileté à prédire et comprendre les limites opérationnelles. Cette capacité peut être utilisée dans de nombreux scénarios de manœuvres. Les modèles de système présentés (modèles de délestages, de contrôle et de propulsion) sont utilisés dans les simulations basées sur RANS et les coefficients. Les simulations basées sur les coefficients fournissent un banc d’essai éventuel pour des recherches préliminaires qui réduiront les simulations à grand nombre de calculs RANS, qui seront nécessaires plus tard. Résultats Les modèles sont décrits et appliqués avec succès, et des simulations préliminaires de remontée sont effectuées à l’aide d’un modèle hydrodynamique basé sur les coefficients. Les modèles sont ainsi mis à l’épreuve et servent à établir des scénarios adaptés aux simulations RANS. Contre toute attente, ce travail préliminaire a démontré que le ĝıte initial, jumelé à l’instabilité du roulis et aux faibles angles de tangage, augmente de façon significative les angles du roulis lors de la remontée du sous-marin. Recherches futures ANSYS Canada a terminé le développement de la capacité de simulation RANS instable à six degrés de liberté. La capacité est transférée à l’UNB où des simulations de remontée seront effectuées et comparées avec les simulations basées sur les coefficients qui sont présentées ici. Il sera donc possible de valider les résultats actuels et de pousser l’étude sur le rôle de l’angle de ĝıte initial. Ce travail devrait être enrichi par des essais complets visant à déterminer les angles de ĝıte réels et à vérifier si les possibilités d’atténuation suggérées par les simulations sont réalistes. G.D. Watt, 2007. Modélisation et simulation de manœuvres instables de remontée d’un sousmarin à six degrés de liberté. RDDC Atlantique TR 2007–008. R&D pour la défense Canada – Atlantique. iv DRDC Atlantic TR 2007–008